Una parete capace di assorbire e distribuire l’acqua
Un gruppo di ricerca della Graz University of Technology, conosciuta come TU Graz, ha sviluppato moduli ceramici stampati in 3D che utilizzano l’evaporazione dell’acqua per raffrescare l’aria circostante.
I componenti hanno la forma di cubi con un lato di circa 23 centimetri. La struttura interna è attraversata da canali e superfici curve progettati digitalmente. Dopo la stampa, l’argilla viene cotta in modo da ottenere una ceramica porosa capace di assorbire e distribuire l’acqua attraverso fenomeni di capillarità.
In una prova condotta in condizioni controllate all’interno di un sottotetto caldo, la temperatura dell’aria in prossimità della parete è diminuita di quasi 7 °C. Il risultato misura un effetto locale e sperimentale: non dimostra ancora che la stessa riduzione possa essere raggiunta automaticamente all’aperto, in ogni clima o su scala urbana.
Il principio fisico del raffrescamento
Quando l’acqua evapora, assorbe energia termica dall’ambiente e dalle superfici con le quali è in contatto. Il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore richiede infatti una quantità significativa di calore.
La parete progettata da TU Graz cerca di favorire questo scambio distribuendo l’acqua su una superficie molto estesa. La ceramica non funziona come un semplice contenitore: i pori permettono al liquido di spostarsi e di raggiungere le zone esposte all’aria.
Il sistema riprende principi utilizzati da secoli in recipienti di terracotta, cortili, fontane e torri del vento. La stampa 3D consente però di controllare la geometria interna e di produrre superfici difficili da ottenere mediante stampi convenzionali.
L’impiego delle superfici TPMS
La geometria dei cubi si basa sulle TPMS, sigla che identifica le superfici minime triplicemente periodiche. Queste forme si ripetono nelle tre direzioni dello spazio e separano volumi interconnessi attraverso pareti curve continue.
Una TPMS permette di ottenere una grande area superficiale utilizzando una quantità relativamente contenuta di materiale. Per il raffrescamento evaporativo, questa caratteristica offre due vantaggi: aumenta la superficie bagnata disponibile per l’evaporazione e crea percorsi attraverso i quali può circolare l’aria.
La geometria deve essere calibrata in base a esigenze contrastanti. Un numero maggiore di pori può favorire l’assorbimento e lo scambio termico, ma può ridurre la resistenza meccanica. Canali molto piccoli trattengono meglio l’acqua, mentre aperture più grandi facilitano la ventilazione. La progettazione digitale consente ai ricercatori di variare questi parametri e confrontare configurazioni differenti.
Il lavoro dello Shape Lab
Il progetto è stato sviluppato nello Shape Lab dell’Institute of Architecture and Media di TU Graz. Il gruppo coordinato da Milena Stavric studia la relazione tra progettazione computazionale, produzione robotizzata e materiali da costruzione a ridotto impatto ambientale.
Tra i ricercatori coinvolti figurano Julian Jauk e Kristijan Ristoski. Quest’ultimo ha integrato i cubi e il relativo sistema di alimentazione dell’acqua in una parete sperimentale, misurandone gli effetti nell’ambito della propria tesi di laurea magistrale.
Le attività sono state condotte con la collaborazione dell’Institute of Building Physics, Services and Construction di TU Graz. Il sostegno economico è arrivato da Austria Wirtschaftsservice GmbH attraverso un programma destinato alla dimostrazione di fattibilità.
Una stampante sviluppata per argilla e materiali terrosi
Lo Shape Lab utilizza A.R.G.O.S. 140200, una stampante progettata dal gruppo di TU Graz per lavorare con materiali pastosi di origine minerale. Il sistema può produrre elementi con dimensioni fino a circa 140 × 200 centimetri.
La macchina deposita l’impasto di argilla in strati successivi. A differenza delle stampanti per materiali termoplastici, deve gestire miscele il cui comportamento cambia in funzione della quantità d’acqua, della granulometria e della composizione minerale.
Un impasto troppo fluido non conserva la geometria depositata. Un materiale troppo asciutto può essere difficile da estrudere e può generare discontinuità. Essiccazione e cottura devono inoltre essere controllate per limitare deformazioni, ritiri e fessurazioni.
Argilla, segatura e micelio
Il gruppo di TU Graz sperimenta anche impasti che combinano argilla, segatura e micelio. Il micelio è la rete di filamenti attraverso la quale cresce un fungo e può svilupparsi all’interno di un substrato organico.
Una linea di ricerca studia l’impiego del micelio come elemento capace di legare e rinforzare materiali non cotti. Nel caso dei componenti ceramici sottoposti a cottura, il materiale organico viene invece eliminato dal calore. La combustione della segatura e delle strutture fungine lascia nella ceramica una rete di vuoti più piccoli.
Questa porosità aggiuntiva può migliorare la capacità di assorbire l’acqua, ma deve essere bilanciata con la resistenza e la durata. La stessa miscela non è quindi adatta automaticamente a ogni applicazione strutturale.
Sedimenti locali come materia prima
Un’altra sperimentazione dello Shape Lab riguarda l’utilizzo dei sedimenti provenienti dal lago Neusiedl, situato tra Austria e Ungheria. Il materiale estratto durante le attività di gestione del lago può essere studiato come possibile risorsa locale per la produzione di componenti.
L’impiego di sedimenti ridurrebbe il trasporto di materie prime e potrebbe valorizzare un materiale altrimenti considerato uno scarto. Prima di un’applicazione edilizia sono però necessarie analisi mineralogiche, chimiche e ambientali, con particolare attenzione alla presenza di sali, sostanze organiche o contaminanti.
La composizione dei sedimenti può inoltre variare da una zona all’altra. Per ottenere un impasto stampabile e una ceramica dalle prestazioni ripetibili possono essere necessari trattamenti, miscelazioni o aggiunte di argilla.
Le pareti dimostrative a Graz
I moduli sono stati assemblati in una parete dimostrativa di circa due metri per due presso il Campus Neue Technik di TU Graz, in Stremayrgasse. Una seconda installazione è stata presentata al Museum of Perception di Graz.
Queste strutture permettono di osservare non soltanto il comportamento del singolo cubo, ma anche la distribuzione dell’acqua, i collegamenti tra i moduli e l’interazione con il flusso d’aria.
Il passaggio dal prototipo alla costruzione richiederà sistemi affidabili per l’alimentazione idrica, il recupero dell’acqua non assorbita e la sostituzione degli elementi danneggiati. Sarà inoltre necessario stabilire come integrare i moduli in una facciata o in una struttura autoportante.
Consumo d’acqua, umidità e manutenzione
Il raffrescamento evaporativo tende a funzionare meglio in ambienti caldi e relativamente secchi. Quando l’aria è già molto umida, la capacità di accogliere ulteriore vapore diminuisce e l’effetto refrigerante si riduce.
Il sistema aumenta anche l’umidità dell’aria circostante. Questa caratteristica può essere vantaggiosa in un clima arido, ma deve essere controllata negli ambienti chiusi per evitare disagio, condensa o crescita biologica.
La qualità dell’acqua rappresenta un altro fattore operativo. Calcare e sali minerali possono depositarsi nei pori, riducendo nel tempo la capacità di assorbimento. Alghe e biofilm potrebbero formarsi nelle parti costantemente bagnate. Pulizia, drenaggio, protezione dal gelo e accessibilità dei circuiti dovranno quindi essere inclusi nel progetto.
Un complemento ai sistemi di climatizzazione
Una parete evaporativa non richiede il compressore e il circuito frigorifero tipici di un condizionatore. Può però aver bisogno di pompe, sensori e sistemi di controllo per distribuire l’acqua in maniera uniforme.
La tecnologia non deve essere interpretata come sostituto universale della climatizzazione. Potrebbe risultare più adatta a cortili, porticati, fermate del trasporto pubblico, facciate ventilate e spazi di transizione nei quali è utile creare una zona locale più fresca.
La combinazione tra geometrie TPMS, ceramica porosa e produzione additiva offre ai progettisti un modo per trasformare una superficie architettonica in un dispositivo passivo o a basso consumo. I prossimi studi dovranno quantificare l’effetto in condizioni climatiche differenti, il consumo d’acqua, la durata e le necessità di manutenzione.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
